材料力学性能10

材料力学性能哈尔滨工业大学材料学院朱景川思考题：2.陶瓷晶体塑性变形微观机制是什么？有何特点？7.物理屈服延伸变形特点？与Luders带应变有何关系？3.简单加载与复杂应力状态宏观屈服条件有何关系？4.最大切应力与形状改变比能强度理论有何联系与区别？5.物理屈服现象有何特征？1.塑性变形体积不变与多晶体协调变形有何关系？6.尖锐屈服点或应力陡降反映了塑性变形的何种微观特征？塑性变形体积不变假设与多晶体的协调变形

S2-5物理屈服现象及其本质1.物理屈服现象第二章材料变形行为2.物理屈服的本质

材料特性和特定的拉伸试验条件下呈现的(不均匀)塑性变形开始与传播过程。

(2)材料特性(内部因素)溶质原子与位错交互作用①钉扎机制：柯氏气团位错钉扎与脱钉过程切应力作用下位错运动状态②位错运动机制物理屈服的位错运动机制材料具有明显屈服点的条件:(1)塑性变形开始前可动位错密度低；(2)塑性变形开始后位错密度迅速增加(位错增殖或脱钉)；(3)位错运动速率对外加应力有强烈的依存关系(位错运动速率应力敏感指数m小)。Ge、Si、LiF、bcc金属等m值较小，屈服现象明显；Fcc金属m值较大(>100~200)，屈服现象不明显。3.应变时效应变时效行为预应变量对应变时效行为的影响X80管线钢不同预应变的应变时效行为位错与溶质原子相互作用的结果。实验依据：(1)应变时效重新产生物理屈服的激活能与C原子在铁中扩散激活能相同，约84kJ/mol；(2)应变时效所需时间与形成原子气团的时间也在同一数量级内。应变时效微观机制

(1)在薄钢板冷冲压成形时，往往因局部变形不均匀，板面吕德斯带导致表面折皱，影响表面质量。4.与物理屈服相关的几个工程问题为避免折皱出现，可对钢板预变形，变形量稍大于屈服应变，然后冲压时将不出现物理屈服，避免折皱。应变时效强化同时发生脆化，一般应予以避免；但若调整成分和工艺以避免塑性下降过多，应变时效亦能用于提高低碳钢的强度。例1：川崎制铁株式会社申请了一系列专利应变时效硬化特性优良的高强度冷轧钢板及其制造方法，CN1366559具有优良应变时效硬化特性的热轧钢板、冷轧钢板和热浸镀锌钢板以及它们的制造方法，01801490.9冲压成形性和应变时效硬化特性出色的高延展性钢板及其制造方法，02122437.4例2：国家自然科学基金项目(2012-2015)基于动态应变时效的激光温喷丸强化延寿基础研究

(2)应变时效可能导致工程构件脆性增加。第三章材料变形抗力与强化机制继续变形抗力：初始变形抗力：最大强度：ssS3-1单晶体的屈服强度1.点阵阻力(派-纳力:Peierls-Nabarro)位错滑移时核心能量的变化：

S3-1单晶体的屈服强度2.位错间交互作用阻力Ti合金冷变形位错缠结(1)平行位错间交互作用(2)位错林阻力b1b2位错滑移方向位错交割结果：在位错线上可形成曲折(割阶或扭折)。割阶：位错线上垂直于其滑移面的曲折部分。割阶阻碍位错的运动。扭折：位错线上位于其滑移面上的曲折部分。

扭折对位错运动影响不大。bb割阶扭折典型的位错交割：

①不同滑移面上两条相垂直刃位错交割，使两条位错线上各形成大小、方向等于另一条位错线b矢量的螺型扭折。②不同滑移面上两条相垂直螺位错交割，使两条位错线上各自形成大小、方向等于另一条位错线b矢量的刃型割阶。该割阶须经攀移才能运动。b1b2b1b2b1b2b1b2③不同滑移面上的两条相垂直刃位错与螺位错交割，使刃位错上形成大小、方向等于螺位错b矢量的刃型扭折，螺位错上形成大小、方向等于刃位错b矢量的刃型割阶。b1b2b2b1S3-1单晶体的屈服强度3.屈服强度本质及构成纯净材料单晶体：对于一般材料：Bailey-Hirsch关系式

S3-2材料基本强化机制1.基本途径非晶金属

S3-2材料基本强化机制2.细晶强化第三章材料变形抗力与强化机制

低碳钢的σs与晶粒直径的关系Hall-Petch关系

纯铜σs与晶粒直径的关系Hall-Petch关系的推导:(扣除位错滑移阻力i

)(单晶体

)(多晶体

)讨论：(1)i、k的物理意义？(2)细晶强韧化机制？(3)适用范围？强化：晶界阻碍位错运动，因此晶粒细化强度提高。

韧化：晶粒细小有利于协调变形；同样的延伸率，每个晶粒的变形量减小，当其与大晶粒一样的话，总延伸率提高。细化晶粒是一种有效的强韧化手段。例外：当晶粒细化到一定程度，比如纳米量级，强度增加；但塑性明显降低。原因：晶粒过小晶界不能有效塞积位错，加工硬化能力弱，易塑性失稳断裂。关于细晶强韧化：

纳米晶材料与纳米结构材料结构与性能特点

纳米晶金属与通常多晶或非晶的性能性能单位金属多晶单晶纳米晶热膨胀系数10-6K-1Cu161831比热容(295K)J/(g×K)Pd0.24-0.37密度g/cm3Fe7.97.56弹性模量GPaPd123-88剪切模量GPaPd43-32断裂强度MPaFe-1.8%C700-8000屈服强度MPaCu83-185饱和磁化强度(4K)4p×10-7Tm3/kgFe222215130磁化率4p×10-9Tm3/kgSb-1-0.0320超导临界温度KAl1.2-3.2扩散激活能eVAg于Cu中2.0-0.39

Cu自扩散2.04-0.64德拜温度KFe467-3纳米晶金属材料力学行为特点

(1)高强度：临界晶粒尺寸dc

d>dc,Hall-Petch关系

d<dc,反Hall-Petch关系dc,

nm纳米晶金属材料力学行为特点

(2)低塑性：尤其是均匀延伸率低纯度与加工缺陷的影响；加工硬化能力较差，易塑性失稳。

卢柯等利用电解沉积技术制备高纯致密块状纳米晶体Cu，晶粒尺寸为30nm，纯度高于99.995wt%，密度可达普通纯Cu理论密度的99.4%。在室温(仅为熔点的22%)轧制纳米晶Cu样品，其延伸率高达5100%，无明显的加工硬化效应，晶粒尺寸保持不变。说明晶界运动起重要作用。思考题：如何兼顾金属材料的强韧性与导电性？dc,nm纳米晶材料中塑性变形机制的变化晶界变形主导：晶界位错发射与湮灭晶界滑移晶粒旋转……习题四：试对比分析单晶体与多晶体的塑性变形临界条件，基于位错理论推导Hall-Petch公式并举例说明其工程意义与适用范围。1.应变时效条件是什么？有何工程意义？思考题：2.何种条件下应变时效可以用作强化手段？3.屈服强度的微观本质是什么？4.从屈服强度的本质和应变时效效应推测材料强化时应注意什么？8.细化晶粒对高塑性或高强度材料s何者影响大？7.如何理解细晶强化同时改善塑韧性？5.多晶体屈服强度微观本质？与单晶体有何联系与区别？6.多晶体宏观屈服强度与单晶体有何联系与区别？

S3-2材料基本强化机制3.固溶强化Cu-Ni合金固溶强化(1)固溶强化现象铁素体的固溶强化Al-Mg合金应力-应变曲线溶质原子的加入提高材料的屈服强度s和应力水平,同时加工硬化率d/d不同程度增大。固溶强化现象(2)固溶强化规律①一般稀固溶体屈服应力：②固溶强化与溶质极限溶解度(固溶度)显著相关；溶质原子不同，强化效果不同；溶质原子浓度越高，强化作用越大，低浓度时效果更明显。溶质原子与基体原子的尺寸相差越大，效果越明显。间隙式溶质元素比置换式溶质元素固溶强化作用更大。溶质原子与基体原子电负性差别越大，固溶强化作用越大。固溶强化的实质是溶质原子与位错的弹性交互作用、电交互作用和化学交互作用阻碍了位错的运动。(3)固溶强化机理①弹性交互作用溶质原子均匀分布——长程弹性交互作用Cottrell气团形成溶质原子气团钉扎位错螺型位错与周围的溶质原子作用，原子在沿x、y、z的三种面心位置上发生择优分布（应力感生有序），使系统能量降低。

Snoek气团②电交互作用③化学交互作用面心立方晶体中的扩展位错④几何交互作用⑤改变基体键合强度导致点阵阻力变化弹性交互作用强，但对温度敏感，常温下作用大；电学和化学交互作用较弱，但对温度不敏感，高温下作用大。强化效果大的溶质元素固溶度低；多元微合金化，非单个元素强化的加和。

S3-2材料基本强化机制4.第二相强化(1)第二相分布类型集聚型分散型第三章材料变形抗力与强化机制单相合金可借固溶强化提高强度，但提高程度有限。通常使用的材料大多是两相或多相合金。第二相来源：可通过相变热处理(沉淀相或析出相)或粉末冶金方法(弥散相)获得。H62黄铜铸态组织变形和退火后(2)集聚型第二相强化如果两相都具有较好塑性，则合金变形阻力取决于两相的体积分数。可按等应变理论或等应力理论计算的平均流变应力或平均应变。(2)集聚型第二相强化等应变理论假定塑性变形过程中两相应变相等，合金产生一定应变的流变应力为：σ=f1σ1+f2σ2式中f1和f2为两相的体积分数。当第二相流变应力高于基相(σ2=σ1+Δσ)时,σ=f1σ1+f2(σ1+Δσ)

=σ1+f2Δσ,材料得以强化。等应力理论假定两相所受的流变应力相等，平均应变为：

ε=ε1f1+ε2f2

当第二相应变小于基相应变(ε2=ε1f2-Δ)时，ε=ε1f1+(ε1f2-Δ)=ε1-Δ,材料得以强化。如果第二相为硬脆相，则合金性能除与两相相对含量有关外，很大程度上取决于硬脆相的形状与分布。如果硬脆相呈连续网状分布于基相晶界上，则基相受限不能变形，应力过大即沿晶界断裂。塑性变差，甚至强度也随之下降。如果硬脆相成片状分布于基相，因变形主要集中在基相，而位错受片层厚度限制，移动距离很短，继续变形阻力加大，强度得以提高。片层越薄，强度越高；变形越均匀，塑性也越好，类似于细晶强化。如果硬脆相呈不连续等轴状颗粒分布于基体相晶粒之间，则因基体连续，硬脆相颗粒对基体变形的影响大大减弱，强度下降，塑性、韧性得以提高。第二相形态对碳钢力学性能的影响第三章材料变形抗力与强化机制

S3-2材料基本强化机制4.第二相强化(3)分散强化组织特征：力学性能特点：分类：沉淀强化或时效强化弥散强化分散相形态及分布：f,r,分散相类型：可变形粒子不可变形粒子1）不变形粒子的强化作用：当移动的位错与微粒相遇时，将因奥罗万(Orowan,位错绕过)机制而产生位错增殖。位错绕过时，既要克服第二相粒子的阻碍作用，又要克服位错环对位错源的反向应力，而且每一个位错绕过后都要增加一个位错环。因此继续变形必须增大外应力，从而使流变应力迅速提高。此图为α黄铜中绕Al2O3粒子的位错环的透射电镜像。Ni合金位错绕过Ni3Al粒子TEM照片位错绕过间距为λ的第二相微粒所需要的切应力为：

τ=Gb/λ式中G为切变弹性模量；b为柏氏矢量。位错绕过强化与第二相粒子的间距成反比。λ越小，强化效果越好。因此，减小粒子尺寸(增大粒子数)或提高粒子体积分数(减小粒子间距)，都能使合金的强度提高。2）可变形粒子的强化作用：第二相为可变形微粒时，位错将切过粒子使其与基相一起变形（位错切过机制）。Ni-Cr-Al合金位错切过Ni3Al粒子

位错切过强化机制：

①点阵阻力增加；②若第二相粒子是有序相，位错切过粒子产生反向